کشیدن یک طناب، قفل انباری از فازهای کوانتومی ماده را باز می کند
فازها بخشی جدایی ناپذیر از روشی است که ما جهان خود را تعریف می کنیم. ما در مراحل زندگی خود از کودکی تا نوجوانی تا بزرگسالی حرکت می کنیم و در طول مسیر با ویژگی ها و رفتارهای در حال تغییر خود همراه می شویم. طبیعت نیز دستخوش تغییرات فازی می شود. دریاچه ها می توانند برای زمستان یخ بزنند، در بهار آب شوند و در روزهای سگ در تابستان آب خود را در اثر تبخیر از دست بدهند. گرفتن و مطالعه تفاوت هایی که با این تغییرات چشمگیر همراه است مفید است.
در فیزیک، فازهای ماده نقش کلیدی دارند و فازهای آن بیشتر از جامد، مایع و گاز شناخته شده است. فیزیکدانان طبقه بندی متوسطی از فازهای مختلفی ساخته اند که ماده می تواند در آنها زندگی کند و کیمیاگری چگونگی تبدیل یک فاز به فاز دیگر را مطالعه کرده اند. اکنون دانشمندان در حال کشف راه‌های جدیدی برای ایجاد فازهای کوانتومی منحصربه‌فرد هستند که می‌تواند برای رایانه‌های کوانتومی و سایر فناوری‌های کوانتومی آینده اساسی باشد.
میثم بارکسلی، همکار و فیزیکدان JQI در دانشگاه مریلند که همچنین یکی از اعضای مرکز تئوری ماده متراکم است، می‌گوید: «اینجا یک جهان کامل وجود دارد». یک باغ وحش کامل از مراحل وجود دارد که می‌توانیم با داشتن فرآیندهای رقابتی در زنجیره‌های کوانتومی تصادفی آنها را مطالعه کنیم.»
اغلب، وقتی فیزیکدانان فازهای ماده را مطالعه می کنند، بررسی می کنند که چگونه یک صفحه فلزی سخت یا ابری از گاز وقتی گرمتر یا سردتر می شود، تغییر می کند. گاهی اوقات تغییرات معمولی هستند - همه ما برای تهیه پاستا آب جوشانده و آن را منجمد کرده تا نوشیدنی هایمان خنک شود. زمان‌های دیگر، این دگرگونی‌ها شگفت‌انگیز هستند، برای مثال زمانی که برخی از فلزات آنقدر سرد می‌شوند که به ابررسانا تبدیل شوند، یا زمانی که گاز گرم می‌شود و به یک سوپ پلاسمای درخشان تجزیه می‌شود.
با این حال، تغییر دما تنها یک راه برای تبدیل ماده به فازهای مختلف است. دانشمندان همچنین نمونه هایی را با میدان های الکتریکی یا مغناطیسی قوی منفجر می کنند یا در محفظه های مخصوص قرار می دهند و فشار را افزایش می دهند. در این آزمایش ها، محققان به دنبال تغییر شدید در رفتار ماده یا تغییر در نحوه سازماندهی اتم های آن هستند.
در مقاله جدیدی که به تازگی در مجله منتشر شده است نامه معاینه فیزیکیبرکشلی و دو همکارش این سنت را برای مطالعه چگونگی واکنش مواد به محیط ادامه دادند. اما به جای جستجوی تغییرات در رسانایی یا ساختار مولکولی، آنها بر تغییرات یک ویژگی کوانتومی منحصر به فرد تمرکز کردند: درهم تنیدگی یا درجه ای که ذرات کوانتومی از فردیت خود دست می کشند و با یکدیگر همبستگی پیدا می کنند. اندازه درهم تنیدگی و نحوه انتشار آن در میان گروهی از ذرات، مراحل مختلف درهم تنیدگی را تعیین می کند.
در تمام مراحل درهم تنیدگی که در مقاله جدید بررسی شده است، ذرات در جای خود ثابت می شوند. آنها حرکت نمی کنند و پیوندهای جدیدی تشکیل نمی دهند، مانند آنچه که با ذوب شدن یخ در آب اتفاق می افتد. در عوض، انتقال از فاز به فاز مستلزم دگردیسی در نحوه درهم تنیدگی ذرات با یکدیگر است - تغییری که اگر فقط به رفتار محلی ذرات و پیوندهای آنها توجه کنید نامرئی است. برای تشخیص این تغییر، محققان از مقداری به نام آنتروپی توپولوژیکی درهم تنیدگی استفاده کردند که مقدار درهم تنیدگی موجود در مجموعه ای از ذرات را در یک عدد نشان می دهد. فازهای درهم تنیدگی مختلف دارای درهم تنیدگی های آنتروپی متفاوتی هستند، بنابراین با محاسبه این عدد مشخص می شود که ذرات در کدام فاز درهم تنیدگی قرار دارند.
محققان از ابررایانه های UMD برای انجام آزمایش های عددی و مطالعه فازهای درهم تنیدگی شبکه ذرات کوانتومی استفاده کردند. آنها بررسی کردند که وقتی ذرات توسط یک طناب بین سه فرآیند کوانتومی رقیب کشیده می شوند، در کدام مرحله از درهم تنیدگی قرار می گیرند. یک فرآیند اندازه گیری کوانتومی یک ذره را انجام می دهد و آن را مجبور می کند بین یکی از دو حالت انتخاب کند و هرگونه درهم تنیدگی را از شبکه حذف می کند. فرآیند دیگری که محققان اولین کسانی بودند که شامل آن شدند، اندازه گیری کوانتومی است، اما به جای اندازه گیری یک ذره، چهار ذره مجاور را به طور همزمان اندازه گیری می کند. این همچنین مقداری درهم تنیدگی را از بین می برد، اما همچنین می تواند درهم تنیدگی را به روشی کنترل شده گسترش دهد. فرآیند دوم، ذرات را به اطراف می‌پیچاند و می‌چرخاند، مانند آنچه که وقتی آهنربا بر سوزن قطب‌نما تأثیر می‌گذارد، اتفاق می‌افتد. این تمایل به تزریق درهم تنیدگی بیشتر به شبکه دارد.
به خودی خود، هر یک از سه فرآیند ذرات را به سه فاز مختلف درهم تنیدگی می کشاند. پس از کاربردهای زیاد فرآیندی که ذرات را به اطراف می‌پیچاند، درهم‌تنیدگی به دور و بر گسترده‌ای گسترش می‌یابد - همه ذرات با یکدیگر درگیر می‌شوند. اندازه گیری تک ذره اثر معکوس دارد: درهم تنیدگی را از بین می برد و از گسترش آن جلوگیری می کند. اندازه‌گیری‌های چهار ذره‌ای که درهم تنیدگی را به شیوه‌ای کنترل‌شده منتشر می‌کنند، منجر به یک فاز میانی می‌شوند.
محققان آزمایش های عددی خود را با آماده سازی تمام ذرات به روشی مشابه آغاز کردند. سپس آنها به طور تصادفی هر دو فرآیند و خوشه ذرات استفاده شده را انتخاب کردند. پس از دورهای زیادی از کاربردهای تصادفی، آنها فشار را متوقف کردند و آنتروپی درهم تنیدگی توپولوژیکی را محاسبه کردند. در طول بسیاری از سری‌ها، محققان احتمال انتخاب فرآیندهای مختلف را نیز تغییر می‌دهند و تعداد دفعات اعمال هر فرآیند را برای سایرین تنظیم می‌کنند. با انجام چندین بار این آزمایش‌ها، محققان یک نمودار فازی ساختند - اساساً نقشه‌ای از میزان درهم‌تنیدگی باقی مانده پس از دورهای متعدد رانش‌های کوانتومی تصادفی.
نتایج تکمیل کننده کار نوظهور است که اثرات اعمال فرآیندهای کوانتومی دلخواه را مطالعه می کند - از جمله مقاله منتشر شده در فیزیک طبیعت اوایل سال جاری توسط همان تیم - اما گنجاندن اندازه‌گیری‌های چهار ذره در نتیجه جدید منجر به تصویری غنی‌تر شد. علاوه بر برخی ویژگی‌های مورد انتظار، مانند سه فاز درهم تنیدگی جداگانه که مربوط به سه فرآیند است، محققان چندین شگفتی پیدا کردند.
به طور خاص، آنها دریافتند که درهم تنیدگی در سراسر سیستم گسترده است و تنها از دو فرآیند اندازه گیری کوانتومی استفاده می کند، اگرچه هیچ فرآیندی به تنهایی این فاز را تولید نمی کند. آنها حتی ممکن است متوجه فاز پایداری شده باشند که بین فاز ایجاد شده با اندازه گیری تک ذره و فاز ایجاد شده تنها با اندازه گیری های چهار ذره قرار گرفته است، پدیده ای بعید شبیه به تعادل چیزی در لبه چاقو.
اما علاوه بر ایجاد نمودار فاز، نویسندگان می‌گویند که تکنیک آنها راه جدیدی برای آماده‌سازی فازهایی ارائه می‌کند که از قبل به خوبی شناخته شده‌اند. به عنوان مثال، فاز ایجاد شده توسط اندازه گیری های چهار ذره کلید کدهای تصحیح خطای کوانتومی و محاسبات کوانتومی توپولوژیکی است. یکی از راه‌های آماده‌سازی برای این مرحله انجام اندازه‌گیری‌های چهار ذره، تفسیر نتایج این اندازه‌گیری‌ها و ارسال مجدد این اطلاعات به کامپیوتر کوانتومی با انجام رویه‌های کوانتومی بسیار کنترل‌شده اضافی است. برای آماده سازی فاز مشابه با تکنیک جدید، هنوز هم باید همان اندازه گیری های چهار ذره انجام شود، اما می توان آنها را به صورت تصادفی، با سایر فرآیندهای کوانتومی پراکنده انجام داد، و نیازی به تفسیر نتایج اندازه گیری نیست - یک مزیت بالقوه برای محققانی که می خواهند دستگاه های کوانتومی بسازند.
بارکسلی می گوید: «این نوعی میانبر است به این معنا که راهی برای انجام یک کار جالب بدون نیاز به کنترل زیادی است که فکر می کنید نیاز دارید.
نویسندگان خاطرنشان می کنند که کار جدید همچنین به مطالعه رو به رشد فازهای غیر تعادلی ماده کوانتومی کمک می کند که شامل اکتشافات عجیب و غریب مانند کریستال های زمان و مکان یابی بسیاری از اجسام است. آنها در تضاد با فازهای تعادلی ماده هستند، که در آن سیستم‌ها گرما را با محیط تبادل می‌کنند و در نهایت دمای یکسانی را به اشتراک می‌گذارند و در پیکربندی‌های پایدار قرار می‌گیرند. تفاوت اصلی بین فازهای تعادلی و غیرتعادلی، تکانه های پیوسته ای است که کاربرد فرآیندهای دلخواه را تضمین می کند.
علی لواسانی، دانشجوی دپارتمان فیزیک UMD و اولین نویسنده مقاله جدید، گفت: «کار ما نشان می‌دهد که ماهیت ویژه اندازه‌گیری‌ها در مکانیک کوانتومی می‌تواند برای تحقق فازهای غیرتعادلی ماده مورد استفاده قرار گیرد.» علاوه بر این، این تکنیک می‌تواند منجر به فازهای غیرتعادلی جدیدی از ماده شود که در تنظیمات تعادل مشابهی ندارند، همانطور که سیستم‌های نیرودار منجر به بلورهای زمانی می‌شوند که در سیستم‌های تعادل ممنوع هستند.
نقل قول: کشیدن یک طناب، قفل یک انباری از فازهای کوانتومی ماده را باز می کند (2022، 26 ژانویه)، بازیابی شده در 26 ژانویه 2022 از https://phys.org/news/2022-01-tug-of-war-menagerie- quantum- فاز. html
این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. به جز هرگونه معامله منصفانه به منظور تحقیق یا مطالعه خصوصی، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوا فقط برای مقاصد اطلاعاتی ارائه شده است.
[ad_2]